JP6386653B2 - Submarine station multi-point long-term observation system - Google Patents
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Description
本発明は、海底ステーション多点定位置長期観測システムに係わり、海洋観測技術分野に属する。 The present invention relates to a submarine station multipoint long-term observation system and belongs to the marine observation technical field.
海洋資源は国の海洋権益の重要な構成部分であり、深海の石油や天然ガスハイドレートなどの資源の争奪が国際的なエネルギーの焦点となっている。海底の天然ガスハイドレートの採掘過程では、温度や圧力、周辺の摂動などの要因により、水和物が自ら分解し、ＣＨ４、Ｈ２、Ｈ２Ｓ、Ｏ２などの多くの副生成物を生成するが、それによって海底の安定性、海洋プロジェクトのインフラ、海洋及び大気環境などに重大な影響を及ぼす可能性がある。そのため、天然ガスハイドレートの採掘過程では、有効的、全面的、長期的な観測を行うことが、水和物資源探査及び採掘、関連する環境効果の調査評価の推進にとって、重要な促進作用を有している。 Marine resources are an important component of the country's maritime interests, and competition for resources such as deep-sea oil and natural gas hydrates has become the focus of international energy. In the process of mining natural gas hydrates on the sea floor, hydrates decompose themselves due to factors such as temperature, pressure and surrounding perturbations, and many by-products such as CH 4 , H 2 , H 2 S, and O 2 are produced. Which may have a significant impact on the stability of the seabed, the infrastructure of the offshore project, the ocean and atmospheric environment, etc. Therefore, effective, full and long-term observations in the extraction process of natural gas hydrate are important for the promotion of exploration and extraction of hydrate resources and related environmental effects. Have.
現在、天然ガスハイドレートの分解過程のモニタリング、測定、観測手段については、主に海洋地球物理学測定、水中沈降ブイ観測、サンプリング分析、海底ステーション観測などがある。海洋地球物理学測定方法は、マルチビーム測定などの手段を代表とする海水環境測定と、地震及びサブボトムプロファイリングなどの手段を代表とする海底堆積物環境測定に分けることもできる。しかし、物理的測定方法は、時間上の連続性に欠け、精度もかなり低く、大部分は探査が主となるので、長期的な連続観測の実現は困難である。水中沈降ブイ観測は、海水環境断面の大量のデータを取得することができ、連続性や垂直方向データ分布密度は良好であるが、海底堆積物内部から来る水和物の分解過程については、海水環境の観測効果において相対的に遅れをとっている。サンプリング分析法は、十分な範囲、深さの堆積物サンプルを適切に取得することはできるが、この方法はリアルタイム観測の要求を満たすことができないだけでなく、動的変化のプロセスも取得できず、またサンプルに対する回避できない摂動なども、分析結果に大きく影響する。相対的に見て、海底ステーション観測方法は、海水及び堆積物に対して同時に長期観測を行うことができる、最も理想的な手段なのである。 At present, the natural gas hydrate decomposition process monitoring, measurement and observation means mainly include marine geophysical measurement, underwater sedimentation buoy observation, sampling analysis, and submarine station observation. The marine geophysical measurement method can be divided into a seawater environment measurement typified by means such as multi-beam measurement and a seabed sediment environment measurement typified by means such as earthquake and sub-bottom profiling. However, physical measurement methods lack continuity in time and have very low accuracy, and most of them are mainly exploration. Therefore, it is difficult to realize long-term continuous observation. Underwater sedimentation buoy observations can obtain a large amount of data on the cross section of the seawater environment, and the continuity and vertical data distribution density are good. There is a relative lag in the environmental observation effect. Sampling analysis methods can adequately obtain sediment samples with sufficient range and depth, but this method not only does not meet the demands of real-time observation but also does not obtain the process of dynamic change. In addition, perturbations to the sample that cannot be avoided greatly affect the analysis results. In relative terms, the seafloor station observation method is the most ideal means that can simultaneously perform long-term observations on seawater and sediment.
海底ステーション観測の起源は古く、アメリカのワシントン大学（１９６５年）が初めて海底ステーション用三脚を使用してピュージェットサウンド水道の潮汐における底辺境界水砂運動を観測、研究した。その後、アメリカ地質調査所、バージニア海洋研究所、アメリカ海洋大気庁などが、それぞれに海底ステーション観測システムを立ち上げ、一連の大型観測プロジェクトを組織し、参加した。また、Ｏｃｅａｎｓｃｉｅｎｃｅ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｐ、ＭＳＩなどの企業も定着式観測プラットホームの完成された技術を次々に産業化し、Ｓｅａ Ｓｐｉｄｅｒ、ＣＡＧＥ ＥＮ ＰＥＨＤなどのいくつかの簡便で実用的な海底観測プラットホームを続々に登場させた。国内では、中国海洋大学、中山大学、華東師範大学、中国科学院海洋研究所、国家海洋技術センター、国家海洋局第三海洋研究所などの組織による定着式観測プラットホームの開発が次々に成功し、幅広く応用されている。同済大学海洋地質国家重点実験室は、アメリカの地質調査所と合同で「自由降下三脚」を開発し、様々な海底機器を運用して底層海流及び堆積運搬の連続的時間変化シーケンスを観測し、南海東北部の底層海流分布及び堆積運搬の動力学的プロセスを研究している。 The origin of submarine station observations is old, and the University of Washington in the United States (1965) first observed and studied bottom boundary sand movements at the tide of the Puget Sound Channel using a submarine station tripod. Later, the US Geological Survey, the Virginia Marine Research Institute, the US Ocean and Atmosphere Agency, etc. each set up a submarine station observation system and organized and participated in a series of large-scale observation projects. In addition, companies such as Oceanscience, Technicap, and MSI have gradually commercialized the technology that has established the fixed observation platform, and several simple and practical submarine observation platforms such as Sea Spider and CAGE EN PEHD have appeared one after another. It was. In Japan, the establishment of a fixed-type observation platform by organizations such as China Ocean University, Zhongshan University, East China Normal University, Ocean Research Institute of Chinese Academy of Sciences, National Ocean Technology Center, and 3rd Ocean Research Institute Applied. Tongji University Marine Geology National Key Laboratory has developed a “free fall tripod” jointly with the American Geological Survey, and uses various submarine equipment to observe the continuous time-varying sequence of bottom current and sediment transport. I am studying the dynamical process of bottom current distribution and sediment transport in northeastern Nankai.
しかし、上記の海底ステーション観測システムは、すべて海洋の動的パラメータ、例えば温度、塩度、波、潮汐、海流、浮遊泥砂、重力、磁力、葉緑素、ＤＯ、ｐＨ値、ＣＯ、メタン、栄養塩類、Ｈ２Ｓなどに対するものであり、しかも海底堆積物内部に対する測定を行うことができない。中国海洋大学が研究開発した「複雑深海工程地質定位置長期観測設備」は、２０１５年から正式に始動しているが、該設備は海水環境に対して総合的な観測を行うことができるだけでなく、海底堆積物内部の電気抵抗、音波、間隙水圧力についても長期的観測を行うことができる。但し、該設備はまだ研究開発段階にあり、かつ静止した定点観測である。 However, all of the above seafloor station observation systems have dynamic ocean parameters such as temperature, salinity, waves, tides, ocean currents, suspended mud, gravity, magnetic force, chlorophyll, DO, pH values, CO, methane, nutrients, It is for H 2 S and the like, and it cannot measure the inside of the seabed sediment. The “Comprehensive Deep Sea Process Geolocation Long-Term Observation Facility” researched and developed by the Ocean University of China was officially started in 2015. The facility can not only comprehensively observe the seawater environment. Long-term observations can also be made on the electrical resistance, sound waves, and pore water pressure inside the seabed sediment. However, the facility is still in the research and development stage and is a stationary fixed point observation.
海底の石油、天然ガスハイドレートの漏出や分解プロセスでは、限られた範囲内で、内から外、大から小という動的拡散音場を形成しており、特に深海底の相対的に安定した環境下では、動的拡散音場内で範囲の大きくない多点測定を行うだけで、拡散音場の分布特性に基づいてソースの位置、距離を確定するには十分であり、各観測要素の拡散プロセス及びソースの漏出／分解量は、重要な実質的意味と研究価値を有している。しかしながら、現在の装備水準は、石油、天然ガスハイドレートの漏出や分解プロセスに対して長期的な観測を展開するには不十分である。 In the oil and natural gas hydrate leakage and decomposition processes in the seabed, a dynamic diffuse sound field is formed within a limited range, from inside to outside, from large to small, especially in the deep seabed. Under the environment, it is sufficient to determine the position and distance of the source based on the distribution characteristics of the diffuse sound field by simply performing multipoint measurements that do not have a large range within the dynamic diffuse sound field. Process and source leakage / degradation volume has important substantial meaning and research value. However, current equipment levels are insufficient to develop long-term observations on oil and natural gas hydrate spills and cracking processes.
本発明の目的は、本装備のカバー範囲内の堆積物に対して高精度な多点立体観測を行うことができ、かつ高精度な測位による堆積物のサンプリングを行うことができる海底ステーション多点定位置長期観測システムを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a multipoint three-dimensional observation with high accuracy for the sediment within the coverage of the equipment, and a multipoint submarine station capable of sampling the sediment by high precision positioning. The purpose is to provide a long-term observation system.
海底ステーション多点定位置長期観測システムは、プラットホームフレームと、浮体材料と、水中音響通信機と、ビーコンと、モニタリングキャビンと、制御キャビンと、切離制御キャビンと、中央回転台と、ウェイトブロックと、微小電極測定システムを含み、前記プラットホームフレーム本体は円柱体形状で、上から下まで計４層あり、第１層には浮体材料と、水中音響通信機と、ビーコンが取り付けられ、第２層にはモニタリングキャビンと、制御キャビンと、切離制御キャビンが取り付けられ、第３層には中央回転台が取り付けられ、第４層にはウェイトブロックが取り付けられており； Submarine station multi-point long-term observation system consists of platform frame, floating material, underwater acoustic communication device, beacon, monitoring cabin, control cabin, separation control cabin, central turntable, weight block, The platform frame main body has a cylindrical shape and has a total of four layers from the top to the bottom. The first layer has a floating material, an underwater acoustic communication device, and a beacon attached to the second layer. Is fitted with a monitoring cabin, a control cabin, and a separation control cabin, with a central turntable on the third layer and a weight block on the fourth layer;
前記第２層のモニタリングキャビン内には姿勢センサ及び高度計が設けられ、制御キャビン内には水中制御及びデータ収集システムが設けられ、切離制御キャビン内には水中音響切離装置が設けられており； An attitude sensor and an altimeter are provided in the second-layer monitoring cabin, an underwater control and data collection system is provided in the control cabin, and an underwater acoustic separation device is provided in the separation control cabin. ;
前記第３層には、回転レールと、回転盤と、微小電極測定システムと、引張機構とを含む中央回転台が取り付けられており、前記中央回転台上には円周形の回転レールが設置されて、サーボモータIによって駆動される回転盤が回転レールの中央に設置され、かつ回転レールに沿って摺動することができ、回転盤上の径方向に沿って摺動溝が設置されており、微小電極測定システムが、引張機構の制御下で摺動溝内を摺動することができ、引張機構はサーボモータII及びスクリューIIを含み、サーボモータIIがスクリューIIを回転させ、スクリューIIは微小電極測定システムとネジ接続されている。 The third layer is provided with a central rotating table including a rotating rail, a rotating disk, a microelectrode measurement system, and a tension mechanism, and a circular rotating rail is installed on the central rotating table. The rotating disk driven by the servo motor I is installed at the center of the rotating rail and can slide along the rotating rail, and the sliding groove is installed along the radial direction on the rotating disk. The microelectrode measurement system can slide in the sliding groove under the control of the pulling mechanism, the pulling mechanism includes the servo motor II and the screw II, the servo motor II rotates the screw II, and the screw II Is screwed to the microelectrode measurement system.
該観測システムでは、サーボモータによって回転盤の回転を制御し、引張機構によって微小電極測定システムの摺動を制御することにより、３６０°範囲内の任意の半径の回転ポジションを実現し、微小電極測定システムの制御可能なポジション測定／試料採取を遂行することができる。 In the observation system, the rotation position of an arbitrary radius within a 360 ° range is realized by controlling the rotation of the rotating disk by a servo motor and controlling the sliding of the micro electrode measurement system by a pulling mechanism. Controllable position measurement / sampling of the system can be performed.
さらに、プラットホームフレームは、３１６Ｌステンレス材により作成されている。 Furthermore, the platform frame is made of 316L stainless steel.
さらに、前記微小電極測定システムは、昇降機構の制御下で上下移動することができ、昇降機構はサーボモータIII及びスクリューIIIを含み、サーボモータIIIがスクリューIIIを回転させ、スクリューIIIは微小電極測定システムとネジ接続されている。 Further, the microelectrode measurement system can be moved up and down under the control of a lifting mechanism, the lifting mechanism includes a servomotor III and a screw III, the servomotor III rotates the screw III, and the screw III is a microelectrode measurement. Screw connection with the system.
さらに、微小電極の応答の速さ、撹拌感度の低さ、空間解像度の高さといった特徴と結び付けて、垂直昇降機構の測位精度を１ｍｍに設定する。 Further, the positioning accuracy of the vertical elevating mechanism is set to 1 mm in combination with features such as the response speed of the microelectrode, low stirring sensitivity, and high spatial resolution.
さらに、前記回転盤上には、観測した堆積物をサンプリングするための堆積物試料採取器が設置されている。 Further, a deposit sampler for sampling the observed deposit is installed on the rotating disk.
さらに、取付に便宜を図るために、前記浮体材料は４〜８等分に設計されており、組合わせ後の形状及び体積は、プラットホームフレームと係合している。水中音響切離装置は、ロープ制御フックを開くことによりウェイトを放擲することができ、ウェイトを放擲すると、浮体材料が、プラットホームフレームが水面に浮き上がることをサポートすることができる。 Further, for the convenience of mounting, the floating body material is designed to be divided into 4 to 8 parts, and the shape and volume after the combination are engaged with the platform frame. The underwater acoustic separation device can release the weight by opening the rope control hook, and when the weight is released, the floating body material can support the platform frame floating on the water surface.
さらに、前記微小電極測定システムは、ベースと、ベース上に設置された静的コーン貫入試験（ＣＰＴ）プローブと、８個の微小電極を含み、前記静的コーン貫入試験プローブはベースの中央に設置され、前記８個の微小電極は静的コーン貫入試験プローブを囲繞して均等に配設されており、静的コーン貫入試験プローブと各微小電極との距離は３〜５ｃｍであり、距離が短すぎると、微小電極の被測定媒質の空間を静的コーン貫入試験プローブが占拠してしまい、微小電極の測定結果に影響するおそれがある。距離が長すぎると、静的コーン貫入試験プローブが検出した閾値点の、微小電極に対する保護効果が大きく打ち消されてしまう。静的コーン貫入試験プローブのコーン先端の長さは微小電極のコーン先端の長さより４〜８ｃｍ長く、長さの差が存在することにより、堆積物に貫入する過程で、まず静的コーン貫入試験プローブが未知の強度の堆積物に接触し、微小電極を保護することを保証できる。貫入の深さを保証できなくなるので、長さの差は大きすぎない方がよい。前記８個の微小電極（２４）は、ＣＨ４、Ｏ２、ｐＨ、Ｒｅｄｏｘ、Ｈ２、Ｈ２Ｓ、ＮＯ、ＮＯ２の指標をそれぞれ測定する。 The microelectrode measurement system further includes a base, a static cone penetration test (CPT) probe installed on the base, and eight microelectrodes, and the static cone penetration test probe is installed in the center of the base. The eight microelectrodes are evenly arranged around the static cone penetration test probe, and the distance between the static cone penetration test probe and each microelectrode is 3 to 5 cm, and the distance is short. If it is too large, the static cone penetration test probe occupies the space of the measurement medium of the microelectrode, which may affect the measurement result of the microelectrode. If the distance is too long, the protective effect of the threshold point detected by the static cone penetration test probe on the microelectrode is greatly canceled. Static cone penetration test The length of the cone tip of the probe is 4 to 8 cm longer than the length of the cone tip of the microelectrode, and there is a difference in length. It can be ensured that the probe contacts deposits of unknown strength and protects the microelectrode. The difference in length should not be too large as it will not be possible to guarantee the depth of penetration. The eight microelectrodes (24) measure indexes of CH 4 , O 2 , pH, Redox, H 2 , H 2 S, NO, and NO 2 , respectively.
微小電極は機械強度がかなり低いので、堆積物を穿刺する過程で壊れることを防止するために、本微小電極測定システムでは、微小電極が穿刺する過程での堆積物の強度の変化を測定するために、ベース上に微小電極よりさらに長い深水静的コーン貫入試験プローブを取り付けている。微小電極の金型に対して破壊実験を繰り返し、各微小電極の極限破壊強度を取得し、各微小電極の破壊強度の最小値を取ってＳとし、Ｓ値の大きさに基づいて静的コーン貫入試験の閾値を設定する。静的コーン貫入試験の閾値は０．７〜０．９Ｓに設定することができる。静的コーン貫入試験プローブが検出したコーン先端抵抗が静的コーン貫入試験の閾値以上である場合は、微小電極が傷つかないよう保護するために、それ以上の穿刺を停止することで、定位置観測過程での微小電極に対する確実な保護を実現する。微小電極群と静的コーン貫入試験プローブを結合させ、極限閾値を設定することで、貫入の深さを保証するだけでなく、設備の安全も保証することができる。 Since the microelectrode has a considerably low mechanical strength, this microelectrode measurement system measures the change in the strength of the deposit during the puncture of the microelectrode in order to prevent it from breaking during the puncture of the deposit. In addition, a deep water static cone penetration test probe longer than the microelectrode is mounted on the base. The fracture experiment was repeated on the microelectrode mold, the ultimate fracture strength of each microelectrode was obtained, the minimum value of the fracture strength of each microelectrode was taken as S, and the static cone based on the magnitude of the S value Set the penetration test threshold. The threshold value of the static cone penetration test can be set to 0.7 to 0.9S. If the cone tip resistance detected by the static cone penetration test probe is greater than or equal to the threshold value of the static cone penetration test, stop the further puncture to protect the microelectrode from being damaged, and observe the position. Realize reliable protection against microelectrodes in the process. By connecting the microelectrode group and the static cone penetration test probe and setting the limit threshold, not only the penetration depth can be guaranteed, but also the safety of the equipment can be guaranteed.
さらに、微小電極の測定の応答時間及び高分解能を向上させることができる。信号拡大、データ収集の技術をさらに改善することにより、精度が高く、分解能が高いマルチパラメータ測定データを取得する。 Furthermore, the response time and high resolution of the measurement of the microelectrode can be improved. By further improving the technique of signal expansion and data collection, multi-parameter measurement data with high accuracy and high resolution is acquired.
本発明のもう１つの目的は、甲板ユニットと水中ユニット（水中制御及びデータ収集システム）を含む上記海底ステーション多点定位置長期観測システムの制御システムを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a control system for the above-mentioned submarine station multipoint fixed position long-term observation system including a deck unit and an underwater unit (underwater control and data collection system).
前記甲板ユニットは、主制御台と、データメモリIと、マンマシンインタラクティブユニットと、ビーコン測位ユニットと、水中音響通信ユニットと、音響切離ユニットを含み、前記主制御台は、データメモリI、マンマシンインタラクティブユニット、ビーコン測位ユニット、水中音響通信ユニット及び音響切離ユニットとそれぞれ接続されており； The deck unit includes a main control table, a data memory I, a man-machine interactive unit, a beacon positioning unit, an underwater acoustic communication unit, and an acoustic separation unit. Connected to machine interactive unit, beacon positioning unit, underwater acoustic communication unit and acoustic separation unit respectively;
前記水中制御及びデータ収集システムは、主制御システムと、ビーコンと、水中音響通信機と、音響切離装置と、データメモリIIと、サーボモータIと、回転盤と、サーボモータIIと、スクリューIIと、サーボモータIIIと、スクリューIIIと、微小電極測定システムと、データ収集ユニットと、堆積物試料採取器と、高度計と、姿勢センサを含み、前記主制御システムは、ビーコン、水中音響通信機、音響切離装置、データメモリII、サーボモータI、サーボモータII、サーボモータIII、データ収集ユニット、高度計、姿勢センサとそれぞれ接続されており、前記サーボモータI、サーボモータII、サーボモータIIIは、それぞれ回転盤、スクリューII、スクリューIIIと接続することにより、微小電極測定システム及び堆積物試料採取器を駆動しており、前記微小電極測定システムはデータ収集ユニットと接続されており； The underwater control and data collection system includes a main control system, a beacon, an underwater acoustic communication device, an acoustic separation device, a data memory II, a servo motor I, a rotating disk, a servo motor II, and a screw II. A servo motor III, a screw III, a microelectrode measurement system, a data collection unit, a sediment sampler, an altimeter, and an attitude sensor, and the main control system includes a beacon, an underwater acoustic communication device, The acoustic separation device, data memory II, servo motor I, servo motor II, servo motor III, data collection unit, altimeter, and attitude sensor are connected to the servo motor I, servo motor II, servo motor III, The microelectrode measurement system and the sediment sampler are driven by connecting to the rotating disk, screw II and screw III, respectively. Serial microelectrode measurement system is connected to the data acquisition unit;
前記ビーコン測位ユニットはビーコンと無線接続され、水中音響通信ユニットは水中音響通信機と無線接続され、音響切離ユニットは音響切離装置と無線接続されている。 The beacon positioning unit is wirelessly connected to the beacon, the underwater acoustic communication unit is wirelessly connected to the underwater acoustic communication device, and the acoustic isolation unit is wirelessly connected to the acoustic isolation device.
水中制御及びデータ収集システムは電池により給電され、ソフトウェアとハードウェアの二つの部分を含み、主に中央回転台の回転ポジション、微小電極測定システム及び堆積物試料採取器の引張ポジション及び垂直昇降ポジションを制御しており、各微小電極、高度計及び姿勢センサなどの測定計器のデータを収集するとともに、データメモリII内に記憶し、また水中音響通信機を通してデータを甲板ユニットに伝送する。水中音響通信機は、プラットホームの水中状態及び計器が収集したデータなどのパラメータを甲板受信ユニットに伝送することもできる。音響切離装置は、甲板ユニットが送信した切離信号を受信した後、フックロックを開け、ウェイトと分離することにより、海底ステーション多点定位置長期観測システムを浮体材料の駆動により海面に浮上させる。海底ステーション多点定位置長期観測システムが海面まで浮上すると、ビーコンがＧＰＳリアルタイム位置を送信し、海上の船舶がナビゲーションを通して海底ステーション多点定位置長期観測システムの実際の位置と漂流方向を迅速に確定し、追跡及び海面での引上回収をスムーズに実行できるよう案内する。 The underwater control and data collection system is battery powered and includes two parts, software and hardware, mainly for the rotary position of the central turntable, the tensile position and vertical lift position of the microelectrode measurement system and sediment sampler. Data is collected from measuring instruments such as microelectrodes, altimeters, and attitude sensors, and stored in the data memory II, and transmitted to the deck unit through the underwater acoustic communication device. The underwater acoustic communicator can also transmit parameters such as the platform underwater conditions and data collected by the instrument to the deck receiving unit. The sound separation device receives the separation signal transmitted from the deck unit, then opens the hook lock and separates it from the weight, so that the submarine station multipoint fixed-point long-term observation system floats on the sea surface by driving the floating material. . When the submarine station multipoint long-term observation system ascends to the sea surface, the beacon transmits the GPS real-time position, and the marine vessel quickly determines the actual position and drift direction of the submarine station multipoint long-term observation system through navigation. In addition, guidance is provided so that tracking and pull-up collection at the sea surface can be carried out smoothly.
本発明は、海底の石油、天然ガスハイドレートの漏出や分解の過程に対して、定位置長期観測及び堆積物サンプリングにより、観測領域の海底堆積物の立体空間範囲における地球化学指標の動的分布を取得することで、動的拡散音場のソース位置、拡散プロセスなどの情報を分析し、取得して、石油の漏出や水和物の分解工程の海洋環境効果の評価のために重要なデータ的裏付けを与えることで、海底の石油採掘、天然ガスハイドレートの試掘などの重要プロジェクトの実施に対して、サポートとサービスを提供している。 The present invention relates to the dynamic distribution of geochemical indicators in the three-dimensional space of the seabed sediment in the observation area by the long-term observation and sediment sampling in place for the process of leakage and decomposition of oil and natural gas hydrates in the seabed. Analyzing and acquiring information such as the source position of the dynamic diffuse sound field, the diffusion process, and obtaining data that is important for evaluating the marine environmental effects of oil spills and hydrate decomposition processes It provides support and service for the implementation of important projects such as offshore oil drilling and natural gas hydrate exploration.
本発明の優位性は以下の通り。 The advantages of the present invention are as follows.
１．従来の海底ステーションを基に、中央回転プラットホームの回転機構、引張機構を通して、多点の正確な測位機能を有効に実現しており、それにより需要に応じて測定領域内の複数の測定点のデータを入手することができ、最終的に動的拡散音場の空間分布情報を分析し、取得することができる。 1. Based on the conventional submarine station, the multi-point accurate positioning function is effectively realized through the rotation mechanism and pulling mechanism of the central rotation platform, so that the data of multiple measurement points in the measurement area according to the demand. Finally, the spatial distribution information of the dynamic diffuse sound field can be analyzed and acquired.
２．昇降機構を中央回転プラットホームに導入してプローブの貫入、抜去機能を実現することで、多点測定を立体測定へとさらに発展させ、海底面の平面の動的拡散音場を空間立体の動的拡散音場に拡張することで、最終結果の直観性と信頼性を保証している。 2. By introducing an elevating mechanism into the central rotating platform to realize the penetration and removal functions of the probe, multipoint measurement has been further developed into three-dimensional measurement, and the dynamic diffuse sound field on the plane of the sea floor has been dynamically converted into a spatial solid Extending to a diffuse sound field guarantees the intuition and reliability of the final result.
図１〜７において、１−ビーコン、２−モニタリングキャビン、３−微小電極測定システム、４−吊り輪、５−水中音響通信機、６−浮体材料、７−制御キャビン、８−切離制御キャビン、９−ウェイトブロック、１０−中央回転台、１１−プラットホームフレーム、１２−サーボモータI、１３−サーボモータII、１４−サーボモータIII、１５−回転レール、１６−回転盤、１７−堆積物試料採取器、１８−甲板ユニット、１９−海水面、２０−海底ステーション多点定位置長期観測システム、２１−海底面、２２−スクリューIII、２３−ベース、２４−微小電極、２５−静的コーン貫入試験プローブ、２６−スクリューII、２７−摺動溝、２８−測定点、２９−測定領域、３０−拡散音場、３１−拡散点。 1-7, 1-beacon, 2-monitoring cabin, 3-microelectrode measurement system, 4-suspension ring, 5-underwater acoustic communication device, 6-floating material, 7-control cabin, 8-separation control cabin , 9-weight block, 10-center turntable, 11-platform frame, 12-servo motor I, 13-servo motor II, 14-servo motor III, 15-rotation rail, 16-turn plate, 17-sediment sample Sampler, 18-Deck unit, 19-Sea surface, 20-Submarine station multi-point long-term observation system, 21-Sea bottom, 22-Screw III, 23-base, 24-Microelectrode, 25-Static cone penetration Test probe, 26-screw II, 27-sliding groove, 28-measurement point, 29-measurement region, 30-diffusion sound field, 31-diffusion point.
本発明の目的、態様及び長所をより明確にするために、以下では図面と実施例を結び付けて、本発明についてさらに詳細な説明を行う。 In order to clarify the objects, aspects, and advantages of the present invention, the present invention will be described in further detail below in conjunction with the drawings and examples.
図１に示す海底ステーション多点定位置長期観測システムは、プラットホームフレーム１１と、浮体材料６と、水中音響通信機５と、ビーコン１と、モニタリングキャビン２と、制御キャビン７と、切離制御キャビン８と、中央回転台１０と、ウェイトブロック９と、微小電極測定システム３を含む。プラットホームフレーム１１本体は円柱体形状で、上から下まで計４層ある。 The submarine station multi-point long-term observation system shown in FIG. 1 includes a platform frame 11, a floating material 6, an underwater acoustic communication device 5, a beacon 1, a monitoring cabin 2, a control cabin 7, and a separation control cabin. 8, a center turntable 10, a weight block 9, and a microelectrode measurement system 3. The main body of the platform frame 11 has a cylindrical shape, and has a total of four layers from top to bottom.
第１層には、浮体材料６と、水中音響通信機５と、ビーコン１と、吊り輪４が取り付けられており、その中の浮体材料６は、取付の便宜を図るために６等分に設計され、フレーム内に取り付けられており、水中音響通信機５、ビーコン１及び吊り輪４はいずれもプラットホームフレーム１１の頂部に設置されている。 The floating material 6, the underwater acoustic communication device 5, the beacon 1, and the suspension ring 4 are attached to the first layer, and the floating material 6 therein is divided into six equal parts for convenience of installation. The underwater acoustic communication device 5, the beacon 1 and the suspension ring 4 are all installed at the top of the platform frame 11.
第２層にはモニタリングキャビン２と、制御キャビン７と、切離制御キャビン８が取り付けられている。モニタリングキャビン２内には姿勢センサ及び高度計が設けられ、制御キャビン７内には水中制御及びデータ収集システムが設けられ、切離制御キャビン８内には水中音響切離装置が設けられている。 A monitoring cabin 2, a control cabin 7, and a separation control cabin 8 are attached to the second layer. An attitude sensor and an altimeter are provided in the monitoring cabin 2, an underwater control and data collection system is provided in the control cabin 7, and an underwater acoustic separation device is provided in the separation control cabin 8.
第３層には、回転レール１５と、回転盤１６と、微小電極測定システム３と、引張機構と、垂直昇降機構とを含む中央回転台１０が取り付けられている（図２）。中央回転台１０上には円周形の回転レール１５が設置されており、サーボモータI １２によって駆動される回転盤１６が回転レール１５の中央に設置され、かつ回転レール１５に沿って摺動することができ、回転盤１６上の径方向に沿って摺動溝２７が設置され、微小電極測定システム３が引張機構の制御下で摺動溝２７内を摺動することができ、引張機構はサーボモータII １３及びスクリューII ２６を含み、サーボモータII １３がスクリューII ２６を回転させ、スクリューII ２６は微小電極測定システム３とネジ接続されている。微小電極測定システム３は、昇降機構の制御下で、垂直方向における上下移動を実現することができ、昇降機構はサーボモータIII １４及びスクリューIII ２２を含み、サーボモータIII １４がスクリューIII ２２を回転させ、スクリューIII ２２は微小電極測定システム３とネジ接続されている（図３）。 A central turntable 10 including a rotating rail 15, a rotating disk 16, a microelectrode measurement system 3, a pulling mechanism, and a vertical lifting mechanism is attached to the third layer (FIG. 2). A circular rotating rail 15 is installed on the central rotating table 10, and a rotating disk 16 driven by a servo motor I 12 is installed at the center of the rotating rail 15 and slides along the rotating rail 15. The sliding groove 27 is provided along the radial direction on the turntable 16, and the microelectrode measurement system 3 can slide in the sliding groove 27 under the control of the tension mechanism. Includes a servo motor II 13 and a screw II 26, and the servo motor II 13 rotates the screw II 26, and the screw II 26 is screwed to the microelectrode measurement system 3. The microelectrode measurement system 3 can realize vertical movement in the vertical direction under the control of the lifting mechanism. The lifting mechanism includes a servo motor III 14 and a screw III 22, and the servo motor III 14 rotates the screw III 22. The screw III 22 is screwed to the microelectrode measurement system 3 (FIG. 3).
第４層には、４つのウェイトブロック９が均等に取り付けられている。 Four weight blocks 9 are equally attached to the fourth layer.
上記海底ステーション多点定位置長期観測システムは、図５、６に示す制御システムにより制御を行っており、甲板ユニット１８と水中ユニット（水中制御及びデータ収集システム）２０を含む。 The submarine station multipoint fixed-point long-term observation system is controlled by the control system shown in FIGS. 5 and 6, and includes a deck unit 18 and an underwater unit (underwater control and data collection system) 20.
甲板ユニット１８は、主制御台と、データメモリIと、マンマシンインタラクティブユニットと、ビーコン測位ユニットと、水中音響通信ユニットと、音響切離ユニットを含み、主制御台は、データメモリI、マンマシンインタラクティブユニット、ビーコン測位ユニット、水中音響通信ユニット及び音響切離ユニットとそれぞれ接続されている。 The deck unit 18 includes a main control table, a data memory I, a man-machine interactive unit, a beacon positioning unit, an underwater acoustic communication unit, and an acoustic separation unit. The main control table includes a data memory I, a man-machine. The interactive unit, the beacon positioning unit, the underwater acoustic communication unit, and the acoustic separation unit are connected to each other.
水中制御及びデータ収集システム２０は、主制御システムと、ビーコン１と、水中音響通信機５と、音響切離装置と、データメモリIIと、サーボモータI １２と、回転盤１６と、サーボモータII ３と、スクリューII ２６と、サーボモータIII １４と、スクリューIII ２２と、微小電極測定システム３と、データ収集ユニットと、堆積物試料採取器１７と、高度計と、姿勢センサを含む。主制御システムは、ビーコン１、水中音響通信機５、音響切離装置、データメモリII、サーボモータI １２、サーボモータII １３、サーボモータIII １４、データ収集ユニット、高度計、姿勢センサとそれぞれ接続されており、そのうち、サーボモータI １２、サーボモータII １３、サーボモータIII １４は、それぞれ回転盤１６、スクリューII ２６、スクリューIII ２２と接続することにより、微小電極測定システム３及び堆積物試料採取器１７を駆動しており、微小電極測定システム３はデータ収集ユニットと接続されており、 The underwater control and data collection system 20 includes a main control system, a beacon 1, an underwater acoustic communication device 5, an acoustic separation device, a data memory II, a servo motor I 12, a turntable 16, and a servo motor II. 3, screw II 26, servo motor III 14, screw III 22, microelectrode measurement system 3, data collection unit, sediment sampler 17, altimeter, and attitude sensor. The main control system is connected to the beacon 1, the underwater acoustic communication device 5, the sound separation device, the data memory II, the servo motor I 12, the servo motor II 13, the servo motor III 14, the data collection unit, the altimeter, and the attitude sensor. Among them, the servo motor I 12, the servo motor II 13, and the servo motor III 14 are connected to the rotary plate 16, screw II 26, and screw III 22, respectively, so that the microelectrode measurement system 3 and the deposit sampler are collected. 17, the microelectrode measurement system 3 is connected to the data collection unit,
ビーコン測位ユニットはビーコン１と無線接続され、水中音響通信ユニットは水中音響通信機５と無線接続され、音響切離ユニットは音響切離装置と無線接続されている。 The beacon positioning unit is wirelessly connected to the beacon 1, the underwater acoustic communication unit is wirelessly connected to the underwater acoustic communication device 5, and the acoustic separation unit is wirelessly connected to the acoustic separation device.
上記観測システムのプラットホームフレーム１１は、３１６Ｌステンレス材を用いて作成されており、直径は２ｍである。該観測システムは船舶によって要観測地点まで搬送され、船舶に積載されたベルトケーブルの末端には、吊り輪４と接続された音響切離装置IIが掛着されている。ベルトケーブルをリリースすることにより、上記の観測システムを海底面まで投下し、その後、該音響切離装置を通してユニットを制御して信号を送信し、フックロックを開け、海底ステーションと安全に分離することにより、配置が完成する。 The platform frame 11 of the observation system is made of 316L stainless steel and has a diameter of 2 m. The observation system is transported to a point requiring observation by a ship, and an acoustic separation device II connected to a suspension ring 4 is hooked to the end of a belt cable loaded on the ship. By releasing the belt cable, drop the above observation system to the bottom of the sea, then control the unit through the acoustic disconnect device to send a signal, open the hook lock and safely separate from the submarine station Thus, the arrangement is completed.
水中観測システムを配置した後、オペレータが甲板ユニットから水中ユニットの主制御システムに指令を送信し、姿勢、高度及び微小電極の多点測定を開始する。サーボモータI １２、サーボモータII １３、サーボモータIII １４がそれぞれ中央回転台１０の回転、微小電極プローブシステム３の引張及び昇降を制御することにより、３６０°範囲内の任意の半径（０．２ｍ≦Ｒ≦１ｍ）の回転ポジションを実現し、微小電極プローブシステムの制御可能なポジション測定／試料採取を遂行する。 After placing the underwater observation system, the operator sends a command from the deck unit to the main control system of the underwater unit, and starts multipoint measurement of attitude, altitude and microelectrodes. The servo motor I 12, the servo motor II 13, and the servo motor III 14 respectively control the rotation of the central turntable 10, the pulling and raising / lowering of the microelectrode probe system 3, and thereby an arbitrary radius within the 360 ° range (0.2 m) ≦ R ≦ 1 m), and controllable position measurement / sampling of the microelectrode probe system is performed.
動的拡散音場に対する測定方法は図７に示す通りであり、観測システムの微小電極測定システム３が測定領域２９内で多点測定を行い、複数の測定点２８のデータを取得し、数値の大きさに基づいて拡散音場３０を描き、最終的に拡散点３１の位置情報を取得する。 The measurement method for the dynamic diffuse sound field is as shown in FIG. 7, and the microelectrode measurement system 3 of the observation system performs multipoint measurement within the measurement region 29, acquires data of a plurality of measurement points 28, and obtains numerical values. A diffuse sound field 30 is drawn based on the size, and finally position information of the diffusion point 31 is acquired.
観測の完了後、海底ステーション多点定位置長期観測システム２０を回収する。音響切離装置が、甲板ユニット１８が送信した切離信号を受信した後、フックロックを開け、ウェイトブロック９と分離することにより、海底ステーション多点定位置長期観測システム２０を浮体材料６の駆動により海面に浮上させる。海底ステーション多点定位置長期観測システム２０が海面まで浮上すると、ビーコン１がＧＰＳリアルタイム位置を送信し、海上の船舶がナビゲーションを通して海底ステーション多点定位置長期観測システム２０の実際の位置と漂流方向を迅速に確定し、追跡及び海面での引上回収をスムーズに実行できるよう案内する。 After the observation is completed, the submarine station multipoint fixed position long-term observation system 20 is collected. After the sound separation device receives the separation signal transmitted from the deck unit 18, the hook lock is opened and separated from the weight block 9, so that the submarine station multipoint fixed position long-term observation system 20 is driven by the floating material 6. To surface. When the submarine station multipoint fixed-point long-term observation system 20 ascends to the sea surface, the beacon 1 transmits the GPS real-time position, and the ship on the ocean shows the actual position and drifting direction of the submarine station multipoint fixed-point long-term observation system 20 through navigation. We will promptly confirm and guide you so that you can smoothly carry out tracking and seaside recovery.
実施例１と異なるのは、微小電極測定システム３が、ベース２３と、ベース２３上に設置された静的コーン貫入試験プローブ２５と、８個の微小電極２４を含む点であり、静的コーン貫入試験プローブ２５はベース２３の中央に設置され、８個の微小電極２４が静的コーン貫入試験プローブ２５を囲繞して均等に配設されており、図３〜４に示すように、静的コーン貫入試験プローブ２５の長さは微小電極２４の長さより５ｃｍ長い。 The difference from the first embodiment is that the microelectrode measurement system 3 includes a base 23, a static cone penetration test probe 25 installed on the base 23, and eight microelectrodes 24. The penetration test probe 25 is installed in the center of the base 23, and the eight microelectrodes 24 are evenly arranged around the static cone penetration test probe 25. As shown in FIGS. The length of the cone penetration test probe 25 is 5 cm longer than the length of the microelectrode 24.
静的コーン貫入試験プローブ２５及び８個の微小電極２４はそれぞれデータ収集ユニットと接続され、データ収集ユニットは主制御システムと接続されており、主制御システムが静的コーン貫入試験プローブ２５と８個の微小電極２４のデータ収集を遂行する。 The static cone penetration test probe 25 and the eight microelectrodes 24 are each connected to a data collection unit, the data collection unit is connected to a main control system, and the main control system is connected to the static cone penetration test probe 25 and eight pieces. The data collection of the microelectrodes 24 is performed.
上記微小電極測定システム３では、組み立てる前に、各微小電極の金型に対してそれぞれ破壊実験を繰り返し、微小電極２４の極限破壊強度を取得し、各微小電極２４の破壊強度の最小値を取ってＳとし、Ｓ値の大きさに基づいて静的コーン貫入試験の閾値を設定しており、本実施例では、静的コーン貫入試験の閾値を０．８Ｓに設定している。 In the microelectrode measurement system 3, before assembling, a destructive experiment is repeated for each microelectrode mold, the ultimate fracture strength of the microelectrode 24 is obtained, and the minimum value of the fracture strength of each microelectrode 24 is obtained. S, and the threshold value of the static cone penetration test is set based on the magnitude of the S value. In this embodiment, the threshold value of the static cone penetration test is set to 0.8S.
微小電極測定システム３が堆積物に貫入する過程で、静的コーン貫入試験のコーン先端抵抗が０．８Ｓに達した場合は、貫入極限深さ（例えば１ｍ）まで貫入しないよう、直ちに貫入を停止する。 When the cone tip resistance of the static cone penetration test reaches 0.8S in the process of the microelectrode measurement system 3 penetrating into the sediment, the penetration is stopped immediately so as not to penetrate to the penetration limit depth (for example, 1m). To do.
当業者であれば、上記の説明に基づいて改良や変換を加えることはできるが、それらのすべての改良及び変換は、本発明に付随する請求の範囲の保護範囲に属するものと理解しなければならない。 Those skilled in the art can make improvements and conversions based on the above description, but all such improvements and conversions must be understood to fall within the scope of protection of the claims attached to the present invention. Don't be.
Claims (8)
前記第２層のモニタリングキャビン（２）内には姿勢センサ及び高度計が設けられ、制御キャビン（７）内には水中制御及びデータ収集システムが設けられ、切離制御キャビン（８）内には水中音響切離装置が設けられており、
前記第３層には、回転レール（１５）と、回転盤（１６）と、微小電極プローブシステム（３）と、引張機構と、昇降機構とを含む中央回転台（１０）が取り付けられており、前記中央回転台（１０）上には円周形の回転レール（１５）が設置され、サーボモータI（１２）によって駆動される回転盤（１６）が回転レール（１５）の中央に設置され、かつ回転レール（１５）に沿って摺動することができ、回転盤（１６）上には径方向に沿って摺動溝（２７）が設けられ、微小電極プローブシステム（３）が引張機構の制御下で摺動溝（２７）内を摺動することができ、引張機構はサーボモータII（１３）及びスクリューII（２６）を含み、サーボモータII（１３）がスクリューII（２６）を回転させ、スクリューII（２６）は微小電極プローブシステム（３）とネジ接続されていることを特徴とする、海底ステーション多点定位置長期観測システム。 In the submarine station multipoint long-term observation system, the platform frame (11), the floating material (6), the underwater acoustic communication device (5), the beacon (1), the monitoring cabin (2), the control cabin ( 7), a separation control cabin (8), a central turntable (10), a weight block (9), and a microelectrode probe system (3), and the platform frame (11) body has a cylindrical shape. There are a total of 4 layers from top to bottom, the floating material (6), the underwater acoustic communication device (5), and the beacon (1) are attached to the first layer, and the monitoring cabin (2) is attached to the second layer. The control cabin (7) and the separation control cabin (8) are attached, the center turntable (10) is attached to the third layer, and the weight block (9) is attached to the fourth layer.
An attitude sensor and an altimeter are provided in the second-level monitoring cabin (2), an underwater control and data collection system is provided in the control cabin (7), and an underwater control cabin (8) is provided in the underwater control cabin (8). An acoustic isolation device is provided,
A central turntable (10) including a rotating rail (15), a rotating disk (16), a microelectrode probe system (3), a pulling mechanism, and an elevating mechanism is attached to the third layer. A circular rotating rail (15) is installed on the central rotating table (10), and a rotating disk (16) driven by a servo motor I (12) is installed in the center of the rotating rail (15). , And can slide along the rotating rail (15). A sliding groove (27) is provided along the radial direction on the rotating disk (16), and the microelectrode probe system (3) is provided with a tension mechanism. The tension mechanism includes a servo motor II (13) and a screw II (26), and the servo motor II (13) includes a screw II (26). Rotate and screw II (26) is a microelectrode probe Characterized in that the system (3) and is threaded connection, submarine stations multipoint place long-term monitoring system.
前記甲板ユニット（１８）は、主制御台と、データメモリIと、マンマシンインタラクティブユニットと、ビーコン測位ユニットと、水中音響通信ユニットと、音響切離ユニットを含み、前記主制御台は、データメモリI、マンマシンインタラクティブユニット、ビーコン測位ユニット、水中音響通信ユニット及び音響切離ユニットとそれぞれ接続されており、
前記水中ユニット（２０）は、主制御システムと、ビーコン（１）と、水中音響通信機（５）と、音響切離装置と、データメモリIIと、サーボモータI（１２）と、回転盤（１６）と、サーボモータII（１３）と、スクリューII（２６）と、サーボモータIII（１４）と、スクリューIII（２２）と、微小電極プローブシステム（３）と、データ収集ユニットと、堆積物試料採取器（１７）と、高度計と、姿勢センサを含み、前記主制御システムは、ビーコン（１）、水中音響通信機（５）、音響切離装置、データメモリII、サーボモータI（１２）、サーボモータII（１３）、サーボモータIII（１４）、データ収集ユニット、高度計、姿勢センサとそれぞれ接続されており、前記サーボモータI（１２）、サーボモータII（１３）、サーボモータIII（１４）は、それぞれ回転盤（１６）、スクリューII（２６）、スクリューIII（２２）と接続することにより、微小電極プローブシステム（３）及び堆積物試料採取器（１７）を駆動しており、前記微小電極プローブシステム（３）は、データ収集ユニットと接続されており、
前記ビーコン測位ユニットはビーコン（１）と無線接続され、水中音響通信ユニットは水中音響通信機（５）と無線接続され、音響切離ユニットは音響切離装置と無線接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の海底ステーション多点定位置長期観測システムの制御システム。 In the control system of the submarine station multipoint fixed position long-term observation system according to claim 4, comprising a deck unit (18) and an underwater unit (20),
The deck unit (18) includes a main control table, a data memory I, a man-machine interactive unit, a beacon positioning unit, an underwater acoustic communication unit, and an acoustic separation unit. I, man-machine interactive unit, beacon positioning unit, underwater acoustic communication unit and acoustic separation unit
The underwater unit (20) includes a main control system, a beacon (1), an underwater acoustic communication device (5), an acoustic separation device, a data memory II, a servo motor I (12), a rotating disk ( 16), servo motor II (13), screw II (26), servo motor III (14), screw III (22), microelectrode probe system (3), data collection unit, deposit The main control system includes a sampler (17), an altimeter, and an attitude sensor. The main control system includes a beacon (1), an underwater acoustic communication device (5), an acoustic separation device, a data memory II, and a servo motor I (12). , Servo motor II (13), servo motor III (14), data collection unit, altimeter, and attitude sensor, respectively. Servo motor I (12), servo motor II (13), servo motor III (1) ) Are each rotating disk (16), screw II (26), by connecting the screw III (22), and driven microelectrode probe system (3) and sediment sampler (17), wherein The microelectrode probe system (3) is connected to the data collection unit,
The beacon positioning unit is wirelessly connected to the beacon (1), the underwater acoustic communication unit is wirelessly connected to the underwater acoustic communication device (5), and the acoustic isolation unit is wirelessly connected to the acoustic isolation device. The control system of the submarine station multipoint long-term observation system according to claim 4.
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